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双频地电场理论

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地球物理学是以地球为对象的一门应用物理学。这门学科自本世纪初就已自成体系，到了60年代后，发展极为迅速。它包含许多分支学科，涉及海洋、大陆、空间三界，是天文、物理、化学、地质学、数学、现代信息理论和计算机科学之间的一门边缘学科。

如果狭义地理解，地球物理学指的就是固体地球物理学。这一般又可分为两大方面：研究大尺度现象和一般原理的叫普通地球物理学，利用由此发展出来的方法来勘探矿产资源的，叫勘探地球物理学。后者因工业上的需要，发展极快，已自成体系。近年来，地球物理学又在环境保护、灾害预测等方面获得广泛应用，由此发展成新的分支即环境地球物理学。

用通俗的语言来说，地球物理学就是用一定的仪器，在地表、井中、空间观测特定的物理场分布，通过信息数据处理的手段，由电子计算机或人工描绘出地下介质的分布特征，再用地质学的语言，给出地下物质的结构、构造和分布特点，从而了解地球内部结构、矿产资源分布以及预测自然灾害的发生。因此，地球物理学不仅与国民经济建设、而且与人民日常生活都是息息相关的。

在勘探地球物理学方面，按所利用的地球物理场性质的不同，又可划分为重力勘探方法，电、磁场勘探方法，地震勘探方法，放射性勘探方法以及激发极化勘探方法。总的来说，地球物理场的测量、处理既可以在时间域（空间域）进行，也可以在频率域进行，两者之间通过傅立叶变换相联系，因此是等价的，但具体方法技术上又存在差异。

激发极化法（又简称激电法）是利用地下岩矿石之间电化学性质差别进行资源调查、评价的一种勘探地球物理方法。这种方法最早可以追溯到本世纪20年代，但在40～50年代发展最为迅速。最初的测量、处理都是在时间域进行的，也即测量不同岩矿石随时间变化的充、放电曲线。在50年代，西方学者J. R. Wait首次在频率域研究岩矿石电化学性质随频率的变化关系，并提出了新的测量方法即变频方法。这种方法在野外是这样进行的：首先由发送机向地下供某一频率的正弦电流波，在测点由接收机测量由该电流引起的激发极化电位差△V₁并将其归一化为1；然后发送机改变供电频率，例如增高9 倍，并保持发送电流强度不变，再测量由高频电流产生的激发极化电位差△V₂。用下式计算表示地下介质激发极化性质的百分频率效应（PFE）：

由于在各测点上的PFE可能不同，从而指示地下介质的分布特征。

通过上述过程可以看出，变频法在每个测点上要供两次电，测量两次电位差，并要进行低频电位差的归一化，因此测量速度慢、效率低，而且不同台套仪器不能同时开展工作。另外，归一化过程要求仪器的线性化程度较高，成本增加，且需要稳流。这些因素都不同程度地影响了它的测量精度。

在变频法中，原则上要求供电电流为单频正弦波。但由于技术上的原因，实际应用的多为正反向供电的方波电流。由傅立叶分析可知，方波电流中不仅包含了基频（和方波同频率）正弦波，而且还包含了3，5，7，9等奇次谐波电流。如果以基频正弦波强度为1，那么n次奇次谐波

因此供电电流中奇次谐波成分的电流就白白浪费了。为利用这些电流，60～70年代西方学者又提出了所谓的“奇次谐波”方法。即在测量基频电位差的同时，也测量多种奇次谐波电流电位差，从而组成频谱测量或复电阻率测量。当然，也可以只测量3次或5次谐波的电位差△V₃，并利用下式计算PFE：

奇次谐波法的优点是利用了方波中包含的奇次谐波电流成分。但由于奇次谐波的电流强度是衰减的，为保证测量的精度和信噪比，就必须增加供电电流强度。这又势必使供电设备趋于笨重，工作不方便，而且在山区无法工作，难以进行大面积普查。

国内的激发极化研究始于50年代。初期都是沿用前苏联的方法技术，多是在时间域进行。大约在60年代后，国内学者开始对频率域激电方法产生浓厚兴趣，并取得了初步的应用效果。但所应用的方法技术仍是变频法或奇次谐波法，仪器的研制也处于模仿阶段。然而，这两种方法都存在明显的不足，比如效率低、成本高、山区工作困难等，而且雪上加霜的是我国金属矿产资源又大多分布于山区，地形条件恶劣，而我国的经济基础又十分薄弱。所有这些因素都为双频道激电法的提出和发展提供了契机。正是在这种情况下，何继善于70年代初期开始研究，并在80年代初期正式提出双频道激发极化法，后来又发展成为以多频为特色的伪随机地电场理论。

随机信号是一种随机编码的序列，其描述必须采用多种统计特征量。伪随机信号则是按一定的规律将不同的信号合成、编码组成的序列。它看似随机信号，实质上仍遵循某种规律。由于这种信号中含有近似等幅的各种频率的信号，因此其频谱是十分丰富的。利用这种信号作为激励场源，可以避免奇次谐波法带来的缺点，而且伪随机场源中的频谱成分可人为控制。

在伪随机频率域激发极化测量中，要求发送机向地下供按伪随机信号方案编码的矩形电流波，接收机则采用多通道，同时测量伪随机信号在大地中的有一定幅值的所有谐波的响应。考虑到技术和经济上的原因，对这些伪随机信号的要求是：（1）它能包含多种频率的正弦波，且各种频率正弦波的振幅要基本相同；（2）每种频率电流正弦波的幅度要尽可能大；（3）各种频率正弦波间的相位关系要尽可能简单。这是为了提取最佳供电波形，以达到既能同时供多种频率电流合成的伪随机信号，又能有最高的电源利用率，使供电设备不致太笨重；（4）各种频率电流正弦波间的频差不能太小。这可保证观测的异常幅度，又可减少各种频率正弦波间的相互干扰；（5）各种频率正弦波间频差不能太大。这是因为电磁感应耦合效应随频率增加而加强，若频差太大，必然使高次谐波的频率升高，从而使电磁感应耦合效应增加，影响激电效应的测量。反之，若以降低基频频率（保持频差不变），来降低高次谐波频率，又会大大影响测量速度，从而增加工作成本。因此，对伪随机信号的各种要求是相互矛盾的，必须做出最佳设计。双频道和三频道激电法是两种常用的、也是较简单的伪随机激电法。

何继善等人自1972年便开始研究双频道激电法，到80年代中期逐渐成熟并在国内很多单位得到推广应用，取得较大的社会经济效益。

双频道激电法的技术关键是发送机同时向地下发送两种频率电流合成的矩形电流波。接收机采用双通道同时接收这两种频率正弦波在大地中激发的响应信号，自动计算并显示视幅频率（百分频率效应）、相位差以及其它多种参数。这种方法不仅可用于普查以发现异常，并通过相位信息了解异常目标体的初步性质，而且也可以对发现的异常进行详查评价，以获得目标体的性质、规模和产状。

双频电流的产生是双频供电部分的核心。双频发送机首先将两种频率的方波电流合成双频电流，然后将其供入地下。何继善1981年撰文论述了各种双频电流波的合成及其特点（何继善，1981．No. 6，中南矿冶学院学报）。图1是几种双频电流波形示意图。在经过理论分析和实验验证后，何继善指出，两种频率间的相位差为π、频差为奇数倍（如9倍或13倍）的那些双频电流波的波形整齐，容易产生，而且可以减少双频电流间的相互影响。另外，使用双频供电方法，不需要对电流采用稳流措施。双频观测方案可以自动消除电流变化对测量结果的影响或畸变。这不仅减轻了供电装置的重量，同时也提高了电源利用率和测量的速度，因此可以降低生产成本，且利于山区工作。对于变频法和奇次谐波法，其供电部分则必须采用稳流措施。

为进一步阐明双频道激电法的有效性，何继善又从时间域和频率域的等效性出发，考察了双频道激电法的观测异常的幅度和各种干扰对异常幅度的影响。结果表明，在无干扰情况下，频率域激电法的观测异常幅度略小于时间域的异常幅度。但从反映异常的角度，双频道激电法、变频法、奇次谐波法和时间域激电法都是相当的，只是观测技术有所差异，因此理论上也略有不同。在存在干扰情况下，时间域激电法受到严重影响，甚至无法正常工作。但频率域激电法的抗干扰能力明显强于时间域方法，其中又以双频道激电法的抗干扰能力最强。实践表明，在大地游散电流大的地区，例如正在开采的矿山，时间域激电法和一般的频率域激电法是无法工作的，但双频道激电法却仍能正常工作并发现激电异常。其主要原因在于，大地中各种干扰电流对双频电位差的影响是同时的，因此影响基本相同，故取差值时这种影响便可大部分相互抵消。

由于双频道激电法具有仪器轻便、快速、成本低、抗干扰能力强、测量精度高且不需稳流等特点，因此双频道激电法适合于大面积快速普查，且可详查寻找金属矿和煤田，也能用于水文、地质工作，特别是适合山区工作，使得在以往工作非常困难的青海等地能进行大面积性工作，改变了中国激电法不能大面积生产且大都模仿他国的局面，提高了激电法的生命力，是独具中国特色的新的先进的激电方法。

目前，双频道激电法已在全国29个省、市、自治区得到成功应用，已查明了金、银、铜、锡等一大批矿产。据不完全统计，双频道激电法在我国已获社会经济效益150亿元以上。近年来，双频道激电法又应邀走出国门，在前苏联、玻利维亚等地得到应用，受到国内外众多专家的好评。例如，美国权威地球物理学家H. F. 莫里松说：“何继善以他在勘探地球物理方面的众多成就，特别是激电和电磁法方面的卓越贡献，得到了世界公认。”美国著名应用地球物理学家G．W．霍曼教授认为：“何继善的双频激电理论和实践是近年来应用地球物理学界的重大事件。”俄罗斯著名科学家B．A．柯马罗夫教授认为“双频激电理论可和西方任何激电方法媲美”，并称赞何继善教授为“激电人”。

在谈到双频道激电法的原理依据时，何继善教授作了贴切而形象的比喻。他说：“如果甲乙两人高矮只相差一毫米，甚至更少，要比较他们的高矮，最准确的办法是在同一地方、用同一尺子进行测量。如果其中一个人换个地方，换把尺子测量，那就不准确了，甚至得出相反的结论。双频道激电法正是根据这一原理，将高低两种频率的电流同时供入地下，同时测量两种频率的电流形成的电位差，同时比较他们的振幅和相位，这样就可以准确地发现激电异常，从而了解地下介质的特性。”

地球物理学不仅需要基本理论，而且还需要观测手段。何继善教授在构建双频地电场理论的过程中，充分认识到观测仪器的重要性。正如他所说的，现代科学的发展，特别是物理学的进展，是建立在实验观测基础上的。地球物理学的发展也是如此。理论和仪器如同一个人的左右手，缺一不可。因此，他在发展双频道激电法的同时，也发明了一系列具有国际先进水平和中国特色的地电场观测仪器。可以这样说，他的理论和方法为地球物理勘测设计和资料解释提供了理论依据，为新仪器的研制提供了思路，他发明的仪器又为地电场研究提供了观测手段。在何继善发明的仪器中，包括有S系列双频道数字激电仪、F系列频谱激电仪、C系列微测深仪等。其中，S—2双频道数字激电仪1986年获国家发明奖，F—1频谱激电仪获国家发明专利、北京国际展览会银奖。这些仪器已在全国推广应用。在《双频道激电仪》一书和其它一系列文章中，何继善详细论述了这些仪器的设计思路、原理和技术。

在建立了双频道激电理论的基本框架后，何继善并未满足，而是进一步锐意进取，并使双频地电场理论在80年代和90年代初得到重要进展。这主要包括电磁感应耦合效应的自动消除和双频道激电非线性效应的发现。

一般认为，电磁感应耦合效应是频率域激电方法的主要缺点，特别是在进行频谱测量时，强的电磁感应耦合效应常使工作难以进行。在国家自然科学基金项目《直接、同时、分别提取和利用激电效应和电磁耦合效应》研究报告中（1992），何继善从理论和数值计算、模拟实验等方面证明，电磁感应耦合效应对时间域激电和频率域激电的影响是相同的。但在时间域，由于供电和测量是不同步的，因此可通过增加测量的延迟时间来压制电磁感应耦合效应。在频率域，由于供电和测量同步进行，因此较难在测量时消除电磁感应耦合效应。国内外对此问题虽有很多研究，仍都限于室内资料处理。这既需增加野外工作，又要增加室内工作。

研究表明，电磁感应耦合效应主要集中于测量波形的上升沿和下降沿上，在频谱分析中表现为高频分量。激电效应则为电化学的充放电过程，表现为低频分量。因此，在测量时，利用合适的控制信号，使接收机对测量波形的上升沿和下降沿放弃采样，然后检波积分求出视幅频率或其它参数。在实验室和野外工作中，这种方法都取得了良好的应用效果（He Jishan, Tran saction of NFsoc, 1995, No.1），是目前唯一的实用的直接去耦方法。

由于电磁感应耦合效应在双频波上的特殊表现形态，可以通过方波相干方法消除它。图2是该方法的示意图，上图为含电磁感应耦合效应的双频波形，下图则为低频方波相干后波形。可见图中上升和下降沿的电磁感应耦合效应强度相等，符号相反，检波积分后互相抵消而激电效应却基本不受影响。这种方法被称为方波相干去耦法，是双频激电中独特的去耦方法。它不仅适用于层状大地模型，当存在二、三维地质体时也同样存立，因而具有广泛的应用前景。据有关专家鉴定，该方法在学术上居国际领先水平。地球物理学报已接受发表这一成果。

异常源性质的评价是地球物理方法中又一个难题。通常的方法能够告诉人们地下可能存在与周围物质不同的地质体，即存在异常。但令人困惑的是该异常地质体是什么？其规模和产状如何？即准确性是大多数地球物理方法所无法回答的。在这方面，激发极化法的研究使人们看到了一线曙光。这方面的进展是通过频谱测量和激电非线性效应的应用获得的（包括接触极化曲线、非接触极化曲线等方法），而双频道激电法对这两个方面都有明显的效果和优点。

在频谱测量中，既可测量振幅谱，也可测量相位谱，通过反演求出各种视参数，换算得真参数，如时间常数等，便可评价异常源的性质。这是通常的作法。但双频道激电法可以不作这样测量，而是利用高低频率相位差的相对大小来确定地下极化体的性质。图3是一个模型实验结果。从图可见，磁黄铁矿和石墨都可引起Rs（百分频效应）异常，所以仅仅根据Rs异常不能区别二者。然而双频相位测量却能提供新的信息。在磁黄铁矿上，高频相位（φ_H）大于低频相位（φ_L）；在石墨上，φ_L＞φ_H，当磁黄铁矿和石墨同时存在时，这种关系仍然存在，因此利用双频相位的相对大小便可区别硫化矿物和石墨，而这是在不增加野外工作量情况下取得的。

对激电非线性效应，国内外研究多集中于电流密度较大时的情况。何继善教授则独辟蹊径，建立了电流密度较小时矿物—电解质溶液系统的等效电路模型。借助于非线性数学理论，推导出该电路的过电位响应，为研究非线性激电提供了基本的理论指导。在此基础上，分析计算了双频电流作用下该电路的过电位响应，发现了一些特殊的现象，且得到实验结果的证明。图4是黄铁矿标本的实验相位谱曲线。结果表明，在双频电流作用下，各种矿物的激电频谱都将出现锯齿状非线性特征。不同矿物这种特征是不相同的。利用这些差别便可区别不同的矿物，因而可能发展为一种经济的评价激电异常源性质的方法。科学通报（1994，No.5）发表了这一研究成果；地球物理学报亦将发表更全面的研究成果。

近年来，这位新中国独立培养起来的科学家不仅继续发展着双频地电场理论，逐步将其扩展至多频伪随机电磁测深领域，而且将眼光放到了更高、更远的未来，并在可控源音频大地电磁测深、伪脉冲电磁波成象、小波理论和信号分离、地震波速成象等领域做出了无可争议的贡献，得到了国内外专家的承认和高度评价。美国加州大学（伯克利）、犹它大学、亚利桑那大学，加拿大的多伦多大学以及欧洲许多著名学府，日本京都大学、东京大学等多次提供费用邀请他去讲学。美国加州大学（伯克利）还聘他为该校教授中晋升高级（uplever）教授的书面评审人。